본문내용
1. 상하수도 공학
1.1. 총론
상하수도 공학의 '총론'은 상하수도 시설 전반에 걸친 기본적인 개념과 원리를 다룬다. 상수도 분야에서는 수원 및 취수, 정수, 배급수 등의 프로세스와 설계 기준을 다루며, 하수도 분야에서는 하수 발생량 추정, 관로 시설 계획, 펌프장 및 처리장 설계 등을 다룬다.
총론에서는 우선 상하수도 시설의 목적과 기능을 개괄한다. 상수도는 안전하고 안정적인 식수 공급을 위한 시설이며, 하수도는 오염된 하수를 처리하여 환경을 보호하는 역할을 한다. 이를 위해 수원 확보, 정수, 배급수, 하수 수집, 처리 등의 일련의 프로세스가 필요하다.
상수도 분야에서는 수원 및 취수 시설, 정수 방식, 배급수 계획 등을 다룬다. 수질 기준 충족을 위한 정수 공정과 수요량 예측을 통한 배급수 계획이 주요 내용이다. 하수도 분야에서는 오수량 및 우수량 산정, 관로 설계, 펌프장 및 처리장 계획 등을 다룬다. 특히 하수량 산정 시 첨두율, 일평균대비 최대 시간 유량 등을 고려해야 한다.
이처럼 상하수도 시설은 수원 확보, 정수, 배수, 하수 수집, 처리 등의 일련의 프로세스로 구성되며, 각 단계별 기준과 설계 방법론을 다루는 것이 총론의 주요 내용이다.
1.2. 상수도의 구성 및 계통
상수도는 수원지, 취수장, 도수장, 정수장, 송수장, 배수장, 급수관망 등의 시설로 구성되어 있다. 이들 시설은 우리나라 수돗물 공급 체계에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다.
수원지는 지표수(댐, 호수, 하천)나 지하수가 주가 되며, 수질오염에 따른 수량과 수질 변동에 대응하기 위해 여러 곳의 수원을 확보하고 있다. 취수장에서는 수원으로부터 물을 끌어올리고 도수장으로 보내게 된다. 도수장은 취수된 물을 정수장까지 이송하는 역할을 담당한다.
정수장에서는 취수된 물을 정수 과정을 거쳐 먹는 물 수준의 수질을 확보하게 된다. 주요 정수 방법으로는 약품 투입을 통한 응집, 침전, 여과 등이 있다. 정수된 물은 송수장을 통해 배수지로 보내지며, 배수지로부터 배수관을 통해 소비자에게 공급된다.
급수관망은 정수장에서 공급된 물이 소비자에게 전달되는 관로 체계이다. 관의 종류와 관경, 관 연결 방식 등을 고려하여 설계되며, 배수지의 수량과 수압을 감안하여 구축된다.
이처럼 상수도 시설은 안정적이고 깨끗한 수돗물을 공급하기 위한 종합적인 체계이다. 수원에서부터 소비자에 이르기까지 각 시설이 유기적으로 연계되어 운영되고 있다.
1.3. 수원 및 취수시설
수원 및 취수시설은 상수도 공급을 위한 매우 중요한 요소이다. 수원은 지표수와 지하수가 있는데, 지표수로는 하천, 호소, 저수지 등이 있으며 지하수로는 지하 함양수층에 위치한 지하수가 있다.
저수지는 계절에 따라 변화하는 하천유량을 조절하고 확보하기 위해 설치되는데, 저수지의 용량은 경험 공식을 통해 결정할 수 있다. 경험 공식에는 연 최대유출량, 연 최소유출량, 필요 저수량 등을 고려한다. 지하수의 경우 자유수면 우물과 피압수 우물로 구분되며, 자유수면 우물은 바닥이 불투수층에 도달하지 않은 경우 바닥이 수평이 되도록 하고 피압수 우물은 바닥이 구면이 되도록 한다. 복류수의 취수를 위해서는 자유수면 우물이나 관정호(심층수)가 적합하다.
취수시설은 수원에서 직접 물을 끌어들이는 시설로, 취수구와 도수관로로 구성된다. 취수구는 수원의 수질과 수량을 고려하여 적정 위치에 설치되며, 취수 유속은 3cm/sec 이하로 하여 요동과 와류를 방지한다. 도수관로는 취수구에서 정수장까지 물을 운반하는 시설로, 관경 및 재질, 매설깊이 등을 고려하여 설계한다.
이처럼 상수도 공급을 위한 수원 및 취수시설은 수량과 수질 측면에서 매우 중요하며, 각 시설의 특성을 고려하여 적합하게 계획 및 설계하는 것이 필요하다.
1.4. 수질기준
상수도의 수질기준은 정수처리 전후의 상수원수와 공급되는 수돗물에 대한 수질항목과 기준을 규정한 것이다.
수돗물의 수질기준은 국민의 건강과 생활에 직접적인 영향을 미치므로 매우 중요하다. 현행 수질기준은 1990년 8월 처음 마련된 이후 매년 개정되며, 수돗물의 안전성을 높이기 위해 강화되어 왔다.
상수도의 수질기준 항목은 크게 일반세균, 대장균, 유해물질 등으로 구분된다. 일반세균은 1cc 중 100 이하, 대장균군은 50cc 중 검출되지 않아야 한다. 유해물질로는 페놀(0.005mg/L 이하), 암모니아성 질소(0.5mg/L 이하), 불소(1mg/L 이하), 과망간산칼륨소비량(10mg/L 이하), 염소이온(150mg/L 이하), 황산이온(200mg/L 이하), 경도(300mg/L 이하), 증발잔류물(500mg/L 이하) 등이 있다. 또한 수은, 시안, 유기인, PCB 등은 검출되지 않아야 한다.
정수장에서는 매일 1회 이상 수돗물의 냄새, 맛, 색도, 탁도, 수소이온농도, 잔류염소를 검사하여 수질관리를 한다. 이를 통해 공급되는 수돗물의 안전성을 확보하고자 한다.
이처럼 상수도 수질기준은 국민의 건강과 직결되는 매우 중요한 문제이다. 따라서 정부와 지자체는 수질기준을 지속적으로 강화하고, 정수처리 기술을 발전시켜 국민들이 안심하고 마실 수 있는 수돗물을 공급하기 위해 노력하고 있다.
1.5. 도수 및 송수계획
""도수 및 송수 계획은 취수원으로부터 정수장까지의 일련의 수송과 관련된 계획이다.""
취수원으로부터 정수장까지 수원을 안정적으로 공급하기 위해서는 도수관로와 송수관로의 구조와 규격을 적절히 설계해야 한다. 도수관로는 취수원에서 정수장까지 원수를 수송하는 배관이며, 송수관로는 정수장에서 배수지까지 처리수를 수송하는 배관이다. 이 때 도수관로와 송수관로의 구조와 규격은 유량과 압력을 고려하여 결정한다.
유량 계획 시 첨두유량(peak flow)을 고려해야 한다. 첨두유량은 일평균유량에 대해 1.5배 수준이 되도록 설계한다. 또한 관로의 직경은 관 내부의 유속을 적정 범위 내(보통 1-3m/s)로 유지되도록 결정한다. 관의 두께는 관내 수압을 견딜 수 있도록 산정한다. Chezy의 유속공식을 이용하여 관의 직경과 유속을 결정할 수 있다.
Chezy의 유속공식은 다음과 같다.
v = C√(RS)
여기서, v는 유속, C는 Chezy 계수, R은 관의 수력반경, S는 수리경사이다.
또한 관 재질과 배열방식에 따라 수압에 대한 관두께를 다음과 같이 계산할 수 있다.
t = (PA) / (2St)
여기서, t는 관두께, P는 관내수압, A는 단면적, S는 허용인장응력, t는 관의 원주방향 응력이다.
이와 같이 도수관로와 송수관로에 대한 유량과 압력을 고려하여 관의 규격과 구조를 설계한다. 이를 통해 안정적인 수원 공급이 가능하도록 한다.""정수장에서 배수지까지의 송수계획은 정수장의 생산량과 배수지의 용량 등을 고려하여 수립한다.""
정수장에서 생산된 처리수는 배수지를 거쳐 급수구역으로 공급된다. 따라서 송수계획 수립 시 정수장의 생산량과 배수지의 용량을 고려해야 한다.
정수장의 생산량은 일평균 급수량을 기준으로 결정한다. 일평균 급수량은 유효 수원량, 정수장 처리능력, 수요량 전망 등을 고려하여 산정한다. 한편 배수지의 용량은 일최대 급수량을 기준으로 결정한다. 일최대 급수량은 일평균 급수량에 첨두부하율을 곱하여 구할 수 있다.
송수관로의 구경은 일최대 급수량과 송수관 내의 적정 유속(보통 1-3m/s)을 고려하여 결정한다. 또한 송수관의 수압은 관내수압 공식을 이용하여 산정하며, 이를 바탕으로 관두께를 결정한다.
이처럼 정수장의 생산량과 배수지의 용량을 고려하여 송수계획을 수립함으로써 안정적인 급수가 가능하도록 한다.
1.6. 배수 및 급수계획
배수 및 급수계획은 상수도 시설 계획의 주요 내용 중 하나이다. 급수 계획에는 급수 수요량 추정, 배수지 용량 산정, 배수관 규모 결정 등이 포함되며, 배수 계획에는 배수관 시설 계획, 배수 펌프장 계획 등이 포함된다.
먼저 급수계획을 살펴보면, 일 최대 급수량, 일 평균 급수량, 시간 최대 급수량 등의 급수 수요량을 산정하여 배수지 용량, 배수관 구경 등을 결정한다. 일 최대 급수량은 일 평균 급수량의 약 1.5배 정도로 추정할 수 있으며, 시간 최대 급수량은 일 최대 급수량의 1.5배로 계산한다. 또한 대도시는 가중치 1.3, 중도시 1.5, 소도시 2.0을 적용하여 급수 수요량을 산정한다.
배수지의 용량은 일 최대 급수량의 1.2배에서 1.5배 수준으로 결정하며, 이는 수요 변동에 대한 완충 역할과 유지보수를 위한 것이다. 배수관의 규모는 일 최대 급수량, 시간 최대 급수량 등을 고려하여 결정한다. 오수관거의 경우 0.6-3.0 m/s, 우수관거 및 합류관거는 0.8-3.0 m/s의 유속을 유지하도록 한다.
배수 계획에서는 배수 펌프장의 용량 결정이 중요하다. 배수 펌프장은 우수 펌프장, 오수 펌프장, 처리장 내 펌프장 등으로 구분된다. 펌프의 선정 시 양정, 토출량, 효율, 동력 등을 고려하며, 일반적으로 축류펌프, 사류펌프, 원심펌프가 사용된다.
이와 같이 배수 및 급수계획은 상수도 시설 구축에 있어 매우 중요한 요소이며, 적절한 급수 수요량 추정과 배수관 및 펌프장 계획이 필요하다. 이를 통해 안정적인 물 공급과 배수가 가능해진다.""
1.7. 상수도 펌프장 시설
상수도 펌프장 시설은 펌핑을 통해 상수를 공급하는 중요한 시설이다. 펌프장의 주요 기능은 취수시설에서 끌어올린 물을 정수장까지 도수하고, 또한 정수장에서 처리...
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